آشنایی با فلز کبالت و کاربردهای فراوان آن

کبالت (Cobalt) یک عنصر شیمیایی با نماد Co و عدد اتمی ۲۷ است و مانند نیکل در پوسته زمین فقط به صورت ترکیب یافت می شود. کبالت به شکل عنصر آزاد که توسط ذوب احیائی تولید می شود ، فلزی سخت ، براق و  به رنگ خاکستری – نقره ای است.

رنگدانه های آبی با پایه کبالت (آبی کبالت) از زمان های بسیار قدیم برای ساخت جواهرات و شیشه هایی با رنگ متمایز آبی استفاده می شود.

کبالت در مجسمه های مصر و مهره های گردنبند ایرانی هزاره ۳  قبل از میلاد ، در شیشه هایی که در ویرانه های پمپئی و در چین از اوایل سلسله تانگ و بعدا در چینی های  سلسله مینگ ، کشف شده است. نام کوبولد برای اولین بار (قرن شانزدهم) برای سنگ معادنی استفاده شد که گمان می رود حاوی مس باشند. سرانجام برانت (۱۷۴۲) تشخیص داد که رنگ آبی این سنگ معدن ها به دلیل وجود کبالت است. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

منابع کبالت

کبالت در مواد معدنی کبالتیت ، اسمالتیت و اریتریت وجود دارد و اغلب با سنگ معدن های نیکل ، نقره ، سرب ، مس و آهن یافت می شود و البته در شهاب سنگ ها نیز وجود دارد.

امروزه مقدار قابل توجهی از این فلز به طور خاص از یکی از سنگ معدن های فلزی درخشان مثل کبالتیت (CoAsS) تولید می شود. این عنصر بیشتر به عنوان محصول جانبی استخراج مس و نیکل تولید می شود. جمهوری دموکراتیک کنگو (DRC) و زامبیا بیشترین تولید جهانی کبالت را دارند.

ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی فلز کبالت

کبالت فلزی شکننده و سخت و از لحاظ ظاهری شبیه آهن و نیکل است. نفوذ پذیری فلزی آن حدود دو سوم آهن است. این فلز به عنوان مخلوطی از دو آلوتروپ در محدوده دمایی گسترده وجود دارد و یک فلز فرو مغناطیسی با وزن مخصوص ۸.۹ است.

کبالت فلزی با قدرت احیاکنندگی ضعیف است که توسط یک فیلم اکسید غیر فعال از اکسیداسیون محافظت می شود و توسط هالوژن ها و گوگرد مورد حمله قرار می گیرد. حرارت دادن آن در معرض اکسیژن باعث تولید Co3O4 می شود که اکسیژن را در دمای ۹۰۰ درجه سانتی گراد از دست می دهد تا مونوکسید  CoO تولید شود.

این فلز با فلور (F2) در ۵۲۰ K واکنش می دهد و CoF3 می دهد. این عنصر با کلر (Cl2) ، برم (Br2) و ید (I2)  هالیدهای دوتایی تولید می کند و  حتی با گرم شدن با گاز هیدروژن (H2) یا گاز نیتروژن (N2) واکنش نشان نمی دهد اما با بور ، کربن ، فسفر ، آرسنیک و گوگرد واکنش نشان می دهد. این عنصر در دماهای معمولی ، به آرامی با اسیدهای معدنی در هوای مرطوب واکنش می دهد.

کاربردهای کبالت

نقش بزرگ این فلز در کاربردهای مختلف از بسیاری از خصوصیات منحصر به فرد این فلز و سایر ترکیبات آن ناشی می شود. اهمیت کوبالت برای باتری های قابل شارژ ، وسایل الکترونیکی ، کاتالیزورها ، آلیاژها و مراقبت های بهداشتی منجر به این شده است که این فلز به عنوان یک عنصر فعال کننده تکنولوژی شناخته شود.

خصوصیات فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد این فلز به چندین ویژگی اصلی تبدیل می شود که با استفاده از مواد دیگر قابل تعویض نیستند. کبالت رنگهای پر جنب و جوش تولید می کند و  در برابر سایش ، اکسیداسیون مقاوم است و به دلیل خواص فرومغناطیسی برق را هدایت می کند. کبالت همچنین یک عنصر زیستی ضروری است و در مرکز ویتامین B12 یافت می شود. این ویژگی ها منجر به استفاده گسترده از این فلز در برنامه های مختلف برای کیفیت بیشتر زندگی  شده است.

تولید آلیاژ

این فلز در تولید آلیاژهای با کارایی بالا استفاده می شود همچنین می تواند برای ساخت باتری های قابل شارژ مورد استفاده قرار گیرد و ظهور وسایل نقلیه الکتریکی و موفقیت آنها ارتباط زیادی با تولید فزاینده DRC دارد.

سوپرآلیاژهای حاوی این فلز در طول تاریخ بیشتر کبالت تولید شده را مصرف می کردند. پایداری دمایی این آلیاژها آنها را برای پره های توربین های گازی و موتورهای جت هواپیما مناسب می کند . این آلیاژها در برابر خوردگی و سایش نیز مقاوم هستند که باعث می شوند مانند تیتانیوم برای ساخت ایمپلنت های ارتوپدی که به مرور زمان از بین نمی روند ، مفید باشند.

آلیاژهای خاص کبالت-کروم-مولیبدن مانند ویتالیوم برای تولید قطعات مصنوعی (تعویض مفصل ران و زانو) استفاده می شود. همچنین از آلیاژهای این فلز برای پروتزهای دندانی به عنوان جایگزینی مفید برای نیکل استفاده می شود که ممکن است آلرژی زا باشد.

کاربرد به عنوان کاتالیزور

برخی از ترکیبات کبالت کاتالیزور واکنش اکسیداسیون هستند. به عنوان مثال از استات کبالت برای تبدیل زایلن به اسید ترفتالیک ، پیش ماده پلی اتیلن ترفتالات پلیمر استفاده می شود. کاتالیزورهای معمولی کربوکسیلات های کبالت (معروف به صابون های کبالت) هستند. آنها همچنین در رنگ ها ، لاک ها و جوهرها به عنوان عوامل خشک کننده از طریق اکسیداسیون روغن های خشک کننده استفاده می شوند. همین کربوکسیلات ها برای بهبود چسبندگی بین فولاد و لاستیک در لاستیک های شعاعی تسمه دار فولادی استفاده می شوند. بعلاوه از آنها به عنوان شتاب دهنده در سیستم های رزین پلی استر استفاده می شود.

در گوگردزدایی نفت از کاتالیزور مشتق شده از کبالت و مولیبدن استفاده می کنند. این فرایند به پاکسازی نفت از ناخالصی های گوگرد که در تصفیه سوخت های مایع تداخل دارند، کمک می کند.

نقش بیولوژیکی

کبالت برای متابولیسم همه موجودات زنده ضروری است. این عنصر ماده تشکیل دهنده اصلی کوبالامین است که به عنوان ویتامین B12 نیز شناخته می شود. باکتری های موجود در معده حیوانات نشخوارکننده نمک های کبالت را به ویتامین B12 تبدیل می کنند  بنابراین وجود حداقل کبالت در خاک به میزان قابل توجهی سلامت حیوانات چراکننده را بهبود می بخشد و جذب ۰.۲۰ میلی گرم بر کیلوگرم در روز توصیه می شود زیرا آنها منبع دیگری برای ویتامین B12 ندارند.

عوارض و خطرات کبالت

کبالت یک عنصر ضروری برای زندگی است. مقدار LD50 برای نمک های کبالت محلول بین ۱۵۰ تا ۵۰۰ میلی گرم در کیلوگرم تخمین زده شده است. در ایالات متحده ، سازمان ایمنی و بهداشت شغلی (OSHA)  حد مجاز مواجهه (PEL) در محل کار را ۰.۱ میلی گرم در متر مکعب تعیین کرده است. موسسه ملی ایمنی و بهداشت شغلی (NIOSH) نیز حد مجاز قرارگیری در معرض کبالت  را ۰.۰۵ میلی گرم در متر مکعب تعیین کرده است.

با این حال ، مصرف مزمن کبالت باعث ایجاد مشکلات جدی در سلامتی در دوزهای بسیار کمتر از دوز کشنده شده است. در سال ۱۹۶۶ ، افزودن ترکیبات کبالت برای ایجاد ثبات کف آبجو در کانادا منجر به شکل خاصی از کاردیومیوپاتی ناشی از سم شد که به کاردیومیوپاتی نوشیدنی آبجو معروف شد.

بعلاوه این فلز مشکوک به علت سرطان زایی است و هنگام استنشاق باعث بروز مشکلات تنفسی شده و هنگام لمس باعث ایجاد مشکلات پوستی می شود. لازم به ذکر است که بعد از نیکل و کروم ، کبالت دلیل اصلی درماتیت تماسی است.